三氟化氮泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜海波+田亮亮+苗英俊+李丹丹

摘要：為了實(shí)現(xiàn)三氟化氮生產(chǎn)及灌裝車間三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測，研究了一套基于超高溫裂解原理的三氟化氮泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控芯片，具有響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確、誤碼率的特點(diǎn)，能夠最低檢測到0.1 ul/L的泄漏，信號(hào)能夠直接接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：三氟化氮；高溫?zé)崃呀?；泄漏；在線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：O659.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在常溫常壓下，三氟化氮（NF3）為無色、無臭的性質(zhì)穩(wěn)定液化氣體。而高純的三氟化氮是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化劑，大約在350℃左右可分解成為二氧化氮和氟氣。

三氟化氮是一種工業(yè)特種氣體，它的用途非常廣泛，主要用作火箭推進(jìn)劑、等離子蝕刻硅或氧化硅、化學(xué)激光器的氟源、電子氣及氟化劑等。隨著近年來電子及光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需求呈現(xiàn)迅猛增長之勢。

如同其他電子氣一樣，三氟化氮?dú)怏w也是一種毒性物質(zhì)。美國政府工業(yè)衛(wèi)生聯(lián)合會(huì)（ACGIH）確定，吸入10×10-6的限定閾值（TLV）是最危險(xiǎn)的。2008年聯(lián)合國環(huán)境大會(huì)上，三氟化氮被列為溫室氣體，其制造溫室的能力極強(qiáng)，能在大氣中維持550年。主要在生產(chǎn)液晶電視時(shí)排放，目前排放量為每年4000噸。因此，科學(xué)家呼吁將三氟化氮列入溫室氣體黑名單。因此開展三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測工作具有重大的意義。一是保障了現(xiàn)場工作人員的生命安全；二是生產(chǎn)設(shè)備的使用安全；三是減少了三氟化氮?dú)怏w的泄漏，有效的避免的三氟化氮?dú)怏w產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)某生產(chǎn)三氟化氮?dú)怏w的生產(chǎn)廠家實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，三氟化氮灌裝車間是三氟化氮?dú)怏w的高發(fā)區(qū)域。在灌裝車間需要完成氣體的灌裝、分析采樣、出廠前的檢驗(yàn)等生產(chǎn)工序。在操作過程中極有可能發(fā)生三氟化氮?dú)怏w的泄漏，因此車間的空氣環(huán)境中的三氟化氮含量經(jīng)常在1~2ul/L左右。如果發(fā)生大規(guī)模的泄漏將會(huì)對(duì)工作人員的健康造成威脅，還會(huì)影響對(duì)出廠鋼瓶的檢驗(yàn)中檢測儀器的靈敏度。因此，在灌裝車間安裝三氟化氮的在線監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于超高溫裂解技術(shù)的三氟化氮檢測探頭，三氟化氮檢測探頭能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)或通過RS485總線傳輸?shù)綇S區(qū)的DCS系統(tǒng)。組成框圖如圖1：

DCS系統(tǒng)檢測到某位置的傳感器探頭濃度超過設(shè)定閾值，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)。當(dāng)檢測到室內(nèi)的三氟化氮濃度下降到正常值時(shí)，停止排風(fēng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1 三氟化氮?dú)怏w檢測探頭的設(shè)計(jì)

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它能夠感知?dú)怏w的泄漏，并能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的測量信號(hào)。

2.1.1 三氟化氮檢測原理比較分析

工業(yè)上用的鹵素傳感器可用于三氟化氮?dú)怏w的檢漏，缺點(diǎn)是該類傳感器同時(shí)能夠檢出其他的鹵素物氣體。因此誤報(bào)率比較高，在現(xiàn)場使用非常少。

長光程紅外吸收光譜在900cm-1范圍內(nèi)，對(duì)于1×10-6濃度的三氟化氮?dú)怏w反應(yīng)較為靈敏。整個(gè)量程范圍內(nèi)的檢測誤差和靈敏度還有待考證。缺點(diǎn)是受環(huán)境溫濕度的影響比較大，同時(shí)價(jià)格比較昂貴，目前市場上使用較少。

目前市場上較為常見的為日本某三氟化氮檢測產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用催化裂解+電化學(xué)原理，占據(jù)了大部分的市場份額。該原理催化裂解產(chǎn)物比較復(fù)雜，分辨率較低，檢測誤差較大。通過現(xiàn)場的測試發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品最小只能檢測到2ul/L的氣體泄漏，預(yù)熱時(shí)間較長（在檢測時(shí)要求長時(shí)間開機(jī)），無法滿足現(xiàn)場微量泄漏檢測的需求。

2.1.2 基于超高溫裂解的三氟化氮檢測探頭

本系統(tǒng)的三氟化氮檢測探頭采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。該技術(shù)為軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，技術(shù)參數(shù)及性能已經(jīng)得到了多年的驗(yàn)證，性能非常穩(wěn)定。該技術(shù)為超高溫裂解+電化學(xué)原理，整個(gè)傳感器的組成框圖如圖2：

為了提高檢測探頭的檢測速度和高溫裂解爐的裂解效率，本設(shè)計(jì)采用泵吸式氣體進(jìn)入方式。首先，車間內(nèi)的氣體通過灰塵過濾器過濾掉灰塵后，使用調(diào)節(jié)閥初步調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，使其限定在一定范圍內(nèi)（正常范圍為800ml/min）。然后三氟化氮?dú)怏w進(jìn)入高溫裂解爐進(jìn)行裂解，裂解產(chǎn)物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟氣等氣體。轉(zhuǎn)化劑的作用是將裂解產(chǎn)物中的一氧化氮充分轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w以提高二氧化氮的含量，間接的提高的輸出信號(hào)的大小，增加了探頭的分辨率。電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的微弱的電流信號(hào)經(jīng)過濾波、放大等處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示。同時(shí)通過通信模塊轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議通過RS485總線傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)。MODBUS協(xié)議報(bào)文格式如圖3：

2.2 DCS硬件選型

通過對(duì)某三氟化氮?dú)怏w生產(chǎn)廠家的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在廠區(qū)使用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，各生產(chǎn)流程都已經(jīng)接入DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。為了能將本設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭順利的接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)除了在檢測探頭支持MODBUS傳輸協(xié)議外，選用了浙大中控的XP248通信板卡。該板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS協(xié)議的主機(jī)模式和從機(jī)模式，并通過SCControl功能塊實(shí)現(xiàn)通訊組態(tài)。

2）支持4路串口的并發(fā)工作，每路串口支持RS232和RS485兩種通訊方式。

3）通訊波特率支持（1200~19200）bps，數(shù)據(jù)位（5-8）為，停止位（1-2）為，檢驗(yàn)方式：無校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、空格校驗(yàn)、標(biāo)志校驗(yàn)。

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭通過RS485總線根據(jù)廠區(qū)內(nèi)探頭的布置分區(qū)域通過XP248板卡接入DCS系統(tǒng)，并在工程師對(duì)現(xiàn)場的檢測探頭進(jìn)行組態(tài)識(shí)別，將現(xiàn)場的探頭按照位置進(jìn)行編號(hào)，通過總線MODBUS協(xié)議讀取探頭的數(shù)據(jù)并在組態(tài)畫面上進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 三氟化氮檢測探頭軟件設(shè)計(jì)

三氟化氮檢測探頭采用MSP430單片機(jī)作為主控電路的核心控制元件。MPS430系列單片機(jī)是由TI公司研發(fā)的16位單片機(jī)。它最強(qiáng)調(diào)的特點(diǎn)是超低功耗，非常適用于各種功率要求低的場合。該系統(tǒng)采用該系列單片機(jī)作為主控單元，利用其自身的12位AD作為采樣電路對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行采樣，電化學(xué)傳感器輸出的電流信號(hào)在nA級(jí)別，必須通過濾波放大后才能送給單片機(jī)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)通過RS232通信直接送給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，每隔一段時(shí)間將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外置的EEPROM中。軟件內(nèi)置MODBUS協(xié)議，當(dāng)收到上位機(jī)讀書指令時(shí)，觸發(fā)通信中斷，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。程序流程圖如圖4所示：

3.2 DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場采用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，利用自帶的組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場的三氟化氮檢測探頭進(jìn)行組態(tài)，按照探頭的分布位置和地址對(duì)進(jìn)行編號(hào)。直接在各探頭位置顯示三氟化氮?dú)怏w的濃度。組態(tài)軟件每隔10s向探頭讀取一次數(shù)據(jù)，默認(rèn)每隔半小時(shí)存儲(chǔ)一次探頭檢測數(shù)據(jù)（時(shí)間可設(shè)），并形成數(shù)據(jù)報(bào)表供用戶調(diào)用和查看。

如果系統(tǒng)檢測到某個(gè)位置的三氟化氮檢測探頭發(fā)生報(bào)警，組態(tài)界面對(duì)應(yīng)檢測點(diǎn)進(jìn)行閃爍報(bào)警，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行置換排風(fēng)，并提醒現(xiàn)場工作人員進(jìn)行處理。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)在河北邯鄲某生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭最低能夠檢測到0.1ul/L的極微量三氟化氮?dú)怏w的泄漏，響應(yīng)速度快，測量誤差在4%FS以內(nèi)，與廠區(qū)DCS系統(tǒng)通訊正常，顯示和報(bào)警功能正常。

參考文獻(xiàn)

[1]宋在卿，李紹波.淺談我國三氟化氮的現(xiàn)狀和對(duì)策[J].低溫與特氣，2007，25（01）：22-24.

[2]盧永峰，李冬永，曹瓊?cè)A.三氟化氮產(chǎn)能、技術(shù)現(xiàn)狀及市場分析[J].湖南有色金屬，2010，26（05）：34-35.

[3]Documentation of Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices, 6th Ed.1991.

[4]最新觀測：三氟化氮應(yīng)進(jìn)溫室氣體“黑名單”[N].科技日?qǐng)?bào)，2008（10）.

[5]楊彥.三氟化氮—一種新型干蝕刻氣[J].低溫與特氣，2006，24（04）：28-30.

endprint

摘要：為了實(shí)現(xiàn)三氟化氮生產(chǎn)及灌裝車間三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測，研究了一套基于超高溫裂解原理的三氟化氮泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控芯片，具有響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確、誤碼率的特點(diǎn)，能夠最低檢測到0.1 ul/L的泄漏，信號(hào)能夠直接接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：三氟化氮；高溫?zé)崃呀?；泄漏；在線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：O659.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在常溫常壓下，三氟化氮（NF3）為無色、無臭的性質(zhì)穩(wěn)定液化氣體。而高純的三氟化氮是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化劑，大約在350℃左右可分解成為二氧化氮和氟氣。

三氟化氮是一種工業(yè)特種氣體，它的用途非常廣泛，主要用作火箭推進(jìn)劑、等離子蝕刻硅或氧化硅、化學(xué)激光器的氟源、電子氣及氟化劑等。隨著近年來電子及光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需求呈現(xiàn)迅猛增長之勢。

如同其他電子氣一樣，三氟化氮?dú)怏w也是一種毒性物質(zhì)。美國政府工業(yè)衛(wèi)生聯(lián)合會(huì)（ACGIH）確定，吸入10×10-6的限定閾值（TLV）是最危險(xiǎn)的。2008年聯(lián)合國環(huán)境大會(huì)上，三氟化氮被列為溫室氣體，其制造溫室的能力極強(qiáng)，能在大氣中維持550年。主要在生產(chǎn)液晶電視時(shí)排放，目前排放量為每年4000噸。因此，科學(xué)家呼吁將三氟化氮列入溫室氣體黑名單。因此開展三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測工作具有重大的意義。一是保障了現(xiàn)場工作人員的生命安全；二是生產(chǎn)設(shè)備的使用安全；三是減少了三氟化氮?dú)怏w的泄漏，有效的避免的三氟化氮?dú)怏w產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)某生產(chǎn)三氟化氮?dú)怏w的生產(chǎn)廠家實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，三氟化氮灌裝車間是三氟化氮?dú)怏w的高發(fā)區(qū)域。在灌裝車間需要完成氣體的灌裝、分析采樣、出廠前的檢驗(yàn)等生產(chǎn)工序。在操作過程中極有可能發(fā)生三氟化氮?dú)怏w的泄漏，因此車間的空氣環(huán)境中的三氟化氮含量經(jīng)常在1~2ul/L左右。如果發(fā)生大規(guī)模的泄漏將會(huì)對(duì)工作人員的健康造成威脅，還會(huì)影響對(duì)出廠鋼瓶的檢驗(yàn)中檢測儀器的靈敏度。因此，在灌裝車間安裝三氟化氮的在線監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于超高溫裂解技術(shù)的三氟化氮檢測探頭，三氟化氮檢測探頭能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)或通過RS485總線傳輸?shù)綇S區(qū)的DCS系統(tǒng)。組成框圖如圖1：

DCS系統(tǒng)檢測到某位置的傳感器探頭濃度超過設(shè)定閾值，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)。當(dāng)檢測到室內(nèi)的三氟化氮濃度下降到正常值時(shí)，停止排風(fēng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1 三氟化氮?dú)怏w檢測探頭的設(shè)計(jì)

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它能夠感知?dú)怏w的泄漏，并能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的測量信號(hào)。

2.1.1 三氟化氮檢測原理比較分析

工業(yè)上用的鹵素傳感器可用于三氟化氮?dú)怏w的檢漏，缺點(diǎn)是該類傳感器同時(shí)能夠檢出其他的鹵素物氣體。因此誤報(bào)率比較高，在現(xiàn)場使用非常少。

長光程紅外吸收光譜在900cm-1范圍內(nèi)，對(duì)于1×10-6濃度的三氟化氮?dú)怏w反應(yīng)較為靈敏。整個(gè)量程范圍內(nèi)的檢測誤差和靈敏度還有待考證。缺點(diǎn)是受環(huán)境溫濕度的影響比較大，同時(shí)價(jià)格比較昂貴，目前市場上使用較少。

目前市場上較為常見的為日本某三氟化氮檢測產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用催化裂解+電化學(xué)原理，占據(jù)了大部分的市場份額。該原理催化裂解產(chǎn)物比較復(fù)雜，分辨率較低，檢測誤差較大。通過現(xiàn)場的測試發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品最小只能檢測到2ul/L的氣體泄漏，預(yù)熱時(shí)間較長（在檢測時(shí)要求長時(shí)間開機(jī)），無法滿足現(xiàn)場微量泄漏檢測的需求。

2.1.2 基于超高溫裂解的三氟化氮檢測探頭

本系統(tǒng)的三氟化氮檢測探頭采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。該技術(shù)為軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，技術(shù)參數(shù)及性能已經(jīng)得到了多年的驗(yàn)證，性能非常穩(wěn)定。該技術(shù)為超高溫裂解+電化學(xué)原理，整個(gè)傳感器的組成框圖如圖2：

為了提高檢測探頭的檢測速度和高溫裂解爐的裂解效率，本設(shè)計(jì)采用泵吸式氣體進(jìn)入方式。首先，車間內(nèi)的氣體通過灰塵過濾器過濾掉灰塵后，使用調(diào)節(jié)閥初步調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，使其限定在一定范圍內(nèi)（正常范圍為800ml/min）。然后三氟化氮?dú)怏w進(jìn)入高溫裂解爐進(jìn)行裂解，裂解產(chǎn)物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟氣等氣體。轉(zhuǎn)化劑的作用是將裂解產(chǎn)物中的一氧化氮充分轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w以提高二氧化氮的含量，間接的提高的輸出信號(hào)的大小，增加了探頭的分辨率。電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的微弱的電流信號(hào)經(jīng)過濾波、放大等處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示。同時(shí)通過通信模塊轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議通過RS485總線傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)。MODBUS協(xié)議報(bào)文格式如圖3：

2.2 DCS硬件選型

通過對(duì)某三氟化氮?dú)怏w生產(chǎn)廠家的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在廠區(qū)使用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，各生產(chǎn)流程都已經(jīng)接入DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。為了能將本設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭順利的接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)除了在檢測探頭支持MODBUS傳輸協(xié)議外，選用了浙大中控的XP248通信板卡。該板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS協(xié)議的主機(jī)模式和從機(jī)模式，并通過SCControl功能塊實(shí)現(xiàn)通訊組態(tài)。

2）支持4路串口的并發(fā)工作，每路串口支持RS232和RS485兩種通訊方式。

3）通訊波特率支持（1200~19200）bps，數(shù)據(jù)位（5-8）為，停止位（1-2）為，檢驗(yàn)方式：無校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、空格校驗(yàn)、標(biāo)志校驗(yàn)。

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭通過RS485總線根據(jù)廠區(qū)內(nèi)探頭的布置分區(qū)域通過XP248板卡接入DCS系統(tǒng)，并在工程師對(duì)現(xiàn)場的檢測探頭進(jìn)行組態(tài)識(shí)別，將現(xiàn)場的探頭按照位置進(jìn)行編號(hào)，通過總線MODBUS協(xié)議讀取探頭的數(shù)據(jù)并在組態(tài)畫面上進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 三氟化氮檢測探頭軟件設(shè)計(jì)

三氟化氮檢測探頭采用MSP430單片機(jī)作為主控電路的核心控制元件。MPS430系列單片機(jī)是由TI公司研發(fā)的16位單片機(jī)。它最強(qiáng)調(diào)的特點(diǎn)是超低功耗，非常適用于各種功率要求低的場合。該系統(tǒng)采用該系列單片機(jī)作為主控單元，利用其自身的12位AD作為采樣電路對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行采樣，電化學(xué)傳感器輸出的電流信號(hào)在nA級(jí)別，必須通過濾波放大后才能送給單片機(jī)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)通過RS232通信直接送給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，每隔一段時(shí)間將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外置的EEPROM中。軟件內(nèi)置MODBUS協(xié)議，當(dāng)收到上位機(jī)讀書指令時(shí)，觸發(fā)通信中斷，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。程序流程圖如圖4所示：

3.2 DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場采用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，利用自帶的組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場的三氟化氮檢測探頭進(jìn)行組態(tài)，按照探頭的分布位置和地址對(duì)進(jìn)行編號(hào)。直接在各探頭位置顯示三氟化氮?dú)怏w的濃度。組態(tài)軟件每隔10s向探頭讀取一次數(shù)據(jù)，默認(rèn)每隔半小時(shí)存儲(chǔ)一次探頭檢測數(shù)據(jù)（時(shí)間可設(shè)），并形成數(shù)據(jù)報(bào)表供用戶調(diào)用和查看。

如果系統(tǒng)檢測到某個(gè)位置的三氟化氮檢測探頭發(fā)生報(bào)警，組態(tài)界面對(duì)應(yīng)檢測點(diǎn)進(jìn)行閃爍報(bào)警，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行置換排風(fēng)，并提醒現(xiàn)場工作人員進(jìn)行處理。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)在河北邯鄲某生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭最低能夠檢測到0.1ul/L的極微量三氟化氮?dú)怏w的泄漏，響應(yīng)速度快，測量誤差在4%FS以內(nèi)，與廠區(qū)DCS系統(tǒng)通訊正常，顯示和報(bào)警功能正常。

參考文獻(xiàn)

[1]宋在卿，李紹波.淺談我國三氟化氮的現(xiàn)狀和對(duì)策[J].低溫與特氣，2007，25（01）：22-24.

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摘要：為了實(shí)現(xiàn)三氟化氮生產(chǎn)及灌裝車間三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測，研究了一套基于超高溫裂解原理的三氟化氮泄漏在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控芯片，具有響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確、誤碼率的特點(diǎn)，能夠最低檢測到0.1 ul/L的泄漏，信號(hào)能夠直接接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：三氟化氮；高溫?zé)崃呀?；泄漏；在線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：O659.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在常溫常壓下，三氟化氮（NF3）為無色、無臭的性質(zhì)穩(wěn)定液化氣體。而高純的三氟化氮是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化劑，大約在350℃左右可分解成為二氧化氮和氟氣。

三氟化氮是一種工業(yè)特種氣體，它的用途非常廣泛，主要用作火箭推進(jìn)劑、等離子蝕刻硅或氧化硅、化學(xué)激光器的氟源、電子氣及氟化劑等。隨著近年來電子及光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需求呈現(xiàn)迅猛增長之勢。

如同其他電子氣一樣，三氟化氮?dú)怏w也是一種毒性物質(zhì)。美國政府工業(yè)衛(wèi)生聯(lián)合會(huì)（ACGIH）確定，吸入10×10-6的限定閾值（TLV）是最危險(xiǎn)的。2008年聯(lián)合國環(huán)境大會(huì)上，三氟化氮被列為溫室氣體，其制造溫室的能力極強(qiáng)，能在大氣中維持550年。主要在生產(chǎn)液晶電視時(shí)排放，目前排放量為每年4000噸。因此，科學(xué)家呼吁將三氟化氮列入溫室氣體黑名單。因此開展三氟化氮?dú)怏w的泄漏監(jiān)測工作具有重大的意義。一是保障了現(xiàn)場工作人員的生命安全；二是生產(chǎn)設(shè)備的使用安全；三是減少了三氟化氮?dú)怏w的泄漏，有效的避免的三氟化氮?dú)怏w產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)某生產(chǎn)三氟化氮?dú)怏w的生產(chǎn)廠家實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，三氟化氮灌裝車間是三氟化氮?dú)怏w的高發(fā)區(qū)域。在灌裝車間需要完成氣體的灌裝、分析采樣、出廠前的檢驗(yàn)等生產(chǎn)工序。在操作過程中極有可能發(fā)生三氟化氮?dú)怏w的泄漏，因此車間的空氣環(huán)境中的三氟化氮含量經(jīng)常在1~2ul/L左右。如果發(fā)生大規(guī)模的泄漏將會(huì)對(duì)工作人員的健康造成威脅，還會(huì)影響對(duì)出廠鋼瓶的檢驗(yàn)中檢測儀器的靈敏度。因此，在灌裝車間安裝三氟化氮的在線監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于超高溫裂解技術(shù)的三氟化氮檢測探頭，三氟化氮檢測探頭能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)或通過RS485總線傳輸?shù)綇S區(qū)的DCS系統(tǒng)。組成框圖如圖1：

DCS系統(tǒng)檢測到某位置的傳感器探頭濃度超過設(shè)定閾值，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)。當(dāng)檢測到室內(nèi)的三氟化氮濃度下降到正常值時(shí)，停止排風(fēng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1 三氟化氮?dú)怏w檢測探頭的設(shè)計(jì)

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它能夠感知?dú)怏w的泄漏，并能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的測量信號(hào)。

2.1.1 三氟化氮檢測原理比較分析

工業(yè)上用的鹵素傳感器可用于三氟化氮?dú)怏w的檢漏，缺點(diǎn)是該類傳感器同時(shí)能夠檢出其他的鹵素物氣體。因此誤報(bào)率比較高，在現(xiàn)場使用非常少。

長光程紅外吸收光譜在900cm-1范圍內(nèi)，對(duì)于1×10-6濃度的三氟化氮?dú)怏w反應(yīng)較為靈敏。整個(gè)量程范圍內(nèi)的檢測誤差和靈敏度還有待考證。缺點(diǎn)是受環(huán)境溫濕度的影響比較大，同時(shí)價(jià)格比較昂貴，目前市場上使用較少。

目前市場上較為常見的為日本某三氟化氮檢測產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用催化裂解+電化學(xué)原理，占據(jù)了大部分的市場份額。該原理催化裂解產(chǎn)物比較復(fù)雜，分辨率較低，檢測誤差較大。通過現(xiàn)場的測試發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品最小只能檢測到2ul/L的氣體泄漏，預(yù)熱時(shí)間較長（在檢測時(shí)要求長時(shí)間開機(jī)），無法滿足現(xiàn)場微量泄漏檢測的需求。

2.1.2 基于超高溫裂解的三氟化氮檢測探頭

本系統(tǒng)的三氟化氮檢測探頭采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。該技術(shù)為軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，技術(shù)參數(shù)及性能已經(jīng)得到了多年的驗(yàn)證，性能非常穩(wěn)定。該技術(shù)為超高溫裂解+電化學(xué)原理，整個(gè)傳感器的組成框圖如圖2：

為了提高檢測探頭的檢測速度和高溫裂解爐的裂解效率，本設(shè)計(jì)采用泵吸式氣體進(jìn)入方式。首先，車間內(nèi)的氣體通過灰塵過濾器過濾掉灰塵后，使用調(diào)節(jié)閥初步調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，使其限定在一定范圍內(nèi)（正常范圍為800ml/min）。然后三氟化氮?dú)怏w進(jìn)入高溫裂解爐進(jìn)行裂解，裂解產(chǎn)物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟氣等氣體。轉(zhuǎn)化劑的作用是將裂解產(chǎn)物中的一氧化氮充分轉(zhuǎn)化為二氧化氮?dú)怏w以提高二氧化氮的含量，間接的提高的輸出信號(hào)的大小，增加了探頭的分辨率。電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的微弱的電流信號(hào)經(jīng)過濾波、放大等處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后在人機(jī)交互界面上進(jìn)行顯示。同時(shí)通過通信模塊轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議通過RS485總線傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)。MODBUS協(xié)議報(bào)文格式如圖3：

2.2 DCS硬件選型

通過對(duì)某三氟化氮?dú)怏w生產(chǎn)廠家的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在廠區(qū)使用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，各生產(chǎn)流程都已經(jīng)接入DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。為了能將本設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭順利的接入廠區(qū)的DCS系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)除了在檢測探頭支持MODBUS傳輸協(xié)議外，選用了浙大中控的XP248通信板卡。該板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS協(xié)議的主機(jī)模式和從機(jī)模式，并通過SCControl功能塊實(shí)現(xiàn)通訊組態(tài)。

2）支持4路串口的并發(fā)工作，每路串口支持RS232和RS485兩種通訊方式。

3）通訊波特率支持（1200~19200）bps，數(shù)據(jù)位（5-8）為，停止位（1-2）為，檢驗(yàn)方式：無校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、空格校驗(yàn)、標(biāo)志校驗(yàn)。

三氟化氮?dú)怏w檢測探頭通過RS485總線根據(jù)廠區(qū)內(nèi)探頭的布置分區(qū)域通過XP248板卡接入DCS系統(tǒng)，并在工程師對(duì)現(xiàn)場的檢測探頭進(jìn)行組態(tài)識(shí)別，將現(xiàn)場的探頭按照位置進(jìn)行編號(hào)，通過總線MODBUS協(xié)議讀取探頭的數(shù)據(jù)并在組態(tài)畫面上進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 三氟化氮檢測探頭軟件設(shè)計(jì)

三氟化氮檢測探頭采用MSP430單片機(jī)作為主控電路的核心控制元件。MPS430系列單片機(jī)是由TI公司研發(fā)的16位單片機(jī)。它最強(qiáng)調(diào)的特點(diǎn)是超低功耗，非常適用于各種功率要求低的場合。該系統(tǒng)采用該系列單片機(jī)作為主控單元，利用其自身的12位AD作為采樣電路對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行采樣，電化學(xué)傳感器輸出的電流信號(hào)在nA級(jí)別，必須通過濾波放大后才能送給單片機(jī)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)通過RS232通信直接送給人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，每隔一段時(shí)間將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外置的EEPROM中。軟件內(nèi)置MODBUS協(xié)議，當(dāng)收到上位機(jī)讀書指令時(shí)，觸發(fā)通信中斷，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。程序流程圖如圖4所示：

3.2 DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場采用的是浙大中控的DCS系統(tǒng)，利用自帶的組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場的三氟化氮檢測探頭進(jìn)行組態(tài)，按照探頭的分布位置和地址對(duì)進(jìn)行編號(hào)。直接在各探頭位置顯示三氟化氮?dú)怏w的濃度。組態(tài)軟件每隔10s向探頭讀取一次數(shù)據(jù)，默認(rèn)每隔半小時(shí)存儲(chǔ)一次探頭檢測數(shù)據(jù)（時(shí)間可設(shè)），并形成數(shù)據(jù)報(bào)表供用戶調(diào)用和查看。

如果系統(tǒng)檢測到某個(gè)位置的三氟化氮檢測探頭發(fā)生報(bào)警，組態(tài)界面對(duì)應(yīng)檢測點(diǎn)進(jìn)行閃爍報(bào)警，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行置換排風(fēng)，并提醒現(xiàn)場工作人員進(jìn)行處理。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)在河北邯鄲某生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的三氟化氮檢測探頭最低能夠檢測到0.1ul/L的極微量三氟化氮?dú)怏w的泄漏，響應(yīng)速度快，測量誤差在4%FS以內(nèi)，與廠區(qū)DCS系統(tǒng)通訊正常，顯示和報(bào)警功能正常。

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